一种全生物基定型相变储能材料及其制备方法

本发明属于储能材料，具体涉及一种全生物基定型相变储能材料及其制备方法。

背景技术：

1、固液有机相变储能材料(pcms)通过其可逆的固液相变能效高效地实现热能的储存与释放。然而，它们在实际应用中面临着泄漏风险和低导热性能的挑战。通过使用多孔结构支撑体吸附固化pcms，可以有效解决泄漏问题并提升其导热效率。不过，目前许多多孔支撑体面临制备过程复杂、吸附能力有限及孔隙结构调控不足等难题。同时，伴随着绿色化学的推进，对原材料的循环利用能力也提出了更高的要求，但目前尚欠缺基于全生物资源、具备优越储能性质的定型pcms的开发。

2、例如，公开号为cn 113896429a的中国发明专利，公开了一种以木屑为支撑材料制备定型pcms的方法，制备过程包括先以丙酮清洗木屑，然后将木屑与聚乙二醇(peg)和膨胀石墨均匀分散在无水乙醇中，最后通过烘干，制得pcms，其中peg的含量可达76.2％。然而，该方法使用的原料具有一定的毒害性并且不可回收利用，同时有机固液pcms的吸附性也有所限制。

3、公开号为cn114716978a的中国发明专利，公开了一种多级孔结构载体复合相变储能材料及其制备方法，该复合相变储能材料以硅酸盐矿物粉末为主要原料，添加粘结剂、表面活性剂、发泡剂和导热改性剂，经过常温发泡及热处理获得多级孔硅酸盐矿物载体，再经过浸渍过程负载相变材料，可得到具有70-90％负载率的复合相变储能材料，但这种多孔支撑材料仍存在导热率低和使用有害试剂的技术问题。

4、因此，亟需研发一种全生物基定型相变储能材料，不仅可实现材料和回收利用，而且具有良好的吸附性能和导热性能。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种全生物基定型相变储能材料及其制备方法，所述全生物基定型相变储能材料具有吸附量大、导热率低和储热性能优的特点，同时具有生物可循环利用特性，符合绿色化学的要求。

2、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种全生物基定型相变储能材料，包括复合碳气凝胶和相变介质，所述相变介质吸附于所述复合碳气凝胶中；所述复合碳气凝胶包括硅藻壳和纤维素碳气凝胶。

3、具体地，决定固液定型相变储能材料最重要的性能为储能密度，而储能密度与储能吸附量直接相关，本发明的相变储能材料以含有硅藻壳和纤维素碳气凝胶的复合碳气凝胶为多孔骨架，该复合碳气凝胶具有优异的吸附性能，可大量吸附相变介质，从而提高材料的储能密度。同时，低导热率是固液定型相变储能材料在应用中所面临的重要挑战之一，而单一硅藻壳作为多孔二氧化硅材料的导热率较低，本发明通过将硅藻壳与纤维素碳气凝胶复合，从而大大提高了材料的导热率。

4、优选地，所述相变介质选自蜂蜡、正十六烷、正十八烷、石蜡、聚乙二醇、脂肪酸、硬脂酸、棕榈酸中的至少一种；进一步优选的，所述相变介质为蜂蜡。

5、优选地，所述复合碳气凝胶与所述相变介质的质量比为1：(1-9)；进一步优选地，所述复合碳气凝胶与所述相变介质的质量比为1：(7-9)。

6、本发明的第二方面提供述了上述全生物基定型相变储能材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将硅藻壳加入纤维素水凝胶中，经混合、冷冻干燥后，在惰性气体保护下进行煅烧，得含有硅藻壳和纤维素碳气凝胶的复合碳气凝胶；

8、(2)将相变介质与步骤(1)制得的复合碳气凝胶装入容器中，进行真空吸附，得所述全生物基定型相变储能材料。

9、具体地，本发明采用可大量养殖的多孔硅藻壳和环保的纤维素水凝胶作为制备原料，先通过简单的物理混合、冷冻干燥和煅烧碳化过程，制备具有高孔隙率、可调孔结构的复合碳气凝胶(硅藻壳/纤维素碳气凝胶)，并以之作为多孔骨架；然后利用真空浸渍技术将所述复合碳气凝胶与相变介质结合，所合成的全生物基定型相变储能材料展现出出色的可循环使用性、储能容量、导热性、稳定性以及防泄漏能力，具有良好的应用潜力。

10、优选地，所述纤维素水凝胶为含1.5wt％2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基(trmpo)氧化纳米纤维素水凝胶。

11、优选地，所述纤维素水凝胶与所述硅藻壳的质量比为1：(0.0025-0.025)；进一步优选地，所述纤维素水凝胶与所述硅藻壳的质量比为1：(0.0025-0.0075)。

12、优选地，步骤(1)中，所述混合的工艺为：先进行搅拌3-5小时，然后超声处理20-40min，再进行搅拌1-3小时。

13、优选地，步骤(1)中，所述冷冻干燥为先在-10℃至-20℃温度下冷冻24-36小时，然后在冷冻干燥机中冷干燥48-72小时。

14、优选地，步骤(1)中，所述煅烧的温度为850-950℃，所述煅烧的时间为2-4小时。

15、优选地，步骤(2)中，所述真空吸附时的温度为110-130℃，所述真空吸附的时间为1-3小时。

16、优选地，步骤(2)中，在所述真空吸附后，还包括进行泄漏处理，以去除未吸附的相变介质的步骤。具体过程为：将相变储能材料破碎成毫米级别的颗粒，然后置于滤纸上，于110-130℃，持续泄漏0.5-1.5小时，期间更换3-5次滤纸，直至相变储能材料不再发生明显泄漏。

17、本发明的第三方面提供述了上述全生物基定型相变储能材料在建筑、航空、通讯、制冷或电力领域中的应用。

18、本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：

19、(1)本发明的全生物基定型相变储能材料以含有硅藻壳和纤维素碳气凝胶的复合碳气凝胶为多孔骨架，该复合碳气凝胶具有优异的吸附性能，可以承载高达92.9wt％的相变介质。且全生物基定型相变储能材料具有良好的导热性能，导热系数可达0.31w/m·k；以及较大的相变焓，储热性能优，熔融相变焓可达129.83kj/kg。

20、(2)本发明的全生物基定型相变储能材料在制备时，采用可大量养殖的多孔硅藻壳和环保的纤维素水凝胶作为制备原料，先通过简单的物理混合、冷冻干燥和煅烧碳化过程，制备具有高孔隙率、可调孔结构的复合碳气凝胶多孔骨架；然后利用真空浸渍技术将复合碳气凝胶与相变介质结合制得，制备工艺简单，制备原料具有生物可循环特性，符合绿色化学的要求，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种全生物基定型相变储能材料，其特征在于，包括复合碳气凝胶和相变介质，所述相变介质吸附于所述复合碳气凝胶中；所述复合碳气凝胶包括硅藻壳和纤维素碳气凝胶。

2.根据权利要求1所述的全生物基定型相变储能材料，其特征在于，所述相变介质选自蜂蜡、正十六烷、正十八烷、石蜡、聚乙二醇、脂肪酸、硬脂酸、棕榈酸中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的全生物基定型相变储能材料，其特征在于，所述复合碳气凝胶与所述相变介质的质量比为1：(1-9)。

4.一种如权利要求1至3任意一项所述的全生物基定型相变储能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的全生物基定型相变储能材料的制备方法，其特征在于，所述纤维素水凝胶与所述硅藻壳的质量比为1：(0.0025-0.025)。

6.根据权利要求4所述的全生物基定型相变储能材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述煅烧的温度为850-950℃。

7.根据权利要求4所述的全生物基定型相变储能材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷冻的温度为-10℃至-20℃。

8.根据权利要求4所述的全生物基定型相变储能材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述真空吸附时的温度为110-130℃。

9.根据权利要求4所述的全生物基定型相变储能材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在所述真空吸附后，还包括进行泄漏处理，以去除未吸附的相变介质的步骤。

10.权利要求1至3任意一项所述的全生物基定型相变储能材料在建筑、航空、通讯、制冷或电力领域中的应用。

技术总结本发明属于储能材料技术领域，具体公开了一种全生物基定型相变储能材料及其制备方法。该全生物基定型相变储能材料包括复合碳气凝胶和相变介质，相变介质吸附于复合碳气凝胶中；复合碳气凝胶包括硅藻壳和纤维素碳气凝胶。本发明的全生物基定型相变储能材料以含有硅藻壳和纤维素碳气凝胶的复合碳气凝胶为多孔骨架，该复合碳气凝胶具有优异的吸附性能，可以承载高达92.9wt％的相变介质。且全生物基定型相变储能材料具有良好的导热性能，导热系数可达0.31W/m；以及较大的相变焓，储热性能优，熔融相变温度为60.69℃，熔融相变焓为129.83kJ/kg。技术研发人员：孙大陟,孙浩洋,李茂宁,李丹丹受保护的技术使用者：南方科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5